Datenaustausch in der Prozessautomatisierung Teil 1

Transkript

1 Datenaustausch in der Prozessautomatisierung Teil 1 Rainer Bauer

2 Einleitung Die meisten technischen Anlagen sind heute schon automatisiert. Dabei handelt es sich in der Regel um verteilte Regelungs- / Steuerungssysteme. Ihr kritischster Bestandteil ist das Kommunikationssystem, welches nicht nur schnell und fehlerfrei Daten auszutauschen hat, sondern auch langlebig sein muss, da diese Anlagen normalerweise eine Betriebszeit von mehreren Jahrzehnten haben. Aus diesem Grund halten Neuerungen nur langsam Einzug in die Prozessautomatisierung. Folie 2

3 Begriffe zur Prozessautomatisierung (1) Prozess Gesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgängen in einem System, durch die Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird. [DIN 19233] Technischer Prozess Gesamtheit der Vorgänge in einer technischen Anlage zur Bewältigung einer bestimmten technischen Aufgabenstellung. [DIN 19233] Folie 3

4 Begriffe zur Prozessautomatisierung (2) Prozessdaten Daten, die Größen eines technischen Prozesses darstellen. [DIN 19233] Automatisieren, Automatisierung Das Ausrüsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitet. [DIN 19233] Folie 4

5 Anwendungsgebiete der Prozessautomatisierung Prozessautomatisierung Anlagenautomatisierung Produktionsstätten Verfahrensautomatisierung (Raffinerien, Chemiewerke) Fertigungsautomatisierung (Teilefertigung, Automobilmontage) Kraftwerke (Dampf-, Wasser-, Blockheizkraftwerke) Netze (Strom-, Wasser-, Gasversorgung) Kommunikation (Telefon- und Datennetze) Gebäude (Krankenhäuser, Flughafengebäude, Hochschulen) Verkehrssysteme (Straße, Wasserwege, Luftfahrt) Produktautomatisierung (Unterhaltungselektronik, Automobil, Handelsschiff, ) Folie 5

6 Begriffe zur Prozessautomatisierung (3) Leiten Gesamtheit aller Maßnahmen, die einen im Sinne festgelegter Ziele erwünschten Ablauf eines Prozesses bewirken. Die Maßnahmen werden vorwiegend unter Mitwirkung des Menschen aufgrund der aus dem Prozess oder auch aus der Umgebung erhaltenen Daten mit Hilfe der Leiteinrichtung getroffen. [DIN 19222] Leiteinrichtung Gesamtheit aller für die Aufgabe des Leitens verwendeten Geräte und Programme, sowie im weiteren Sinne auch aller Anweisungen und Vorschriften. [DIN 19222] Folie 6

7 Begriffe zur Prozessautomatisierung (4) Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK) sind personengebundene Module für Bedienung und Beobachtung, sowie für Service und Engineering. Prozessferne Komponenten (PFK) optimieren, stabilisieren und koordinieren den Prozess. Prozessnahe Komponenten (PNK) messen, steuern und regeln den Prozess. Folie 7

8 5 Ebenen der Automatisierungstechnik ABK PNK 1 CAD DB Sensoren / Aktoren Informationsfluss PFK DWH PPS QS PNK n Sensoren / Aktoren Managementleitebene Betriebsleitebene Prozessleitebene Steuerungs- / Regelungsebene Material- und Sensor- Energiefluss / Aktorebene Folie 8

9 Etablierte Kommunikationsstandards CAD DB DWH PPS ABK PFK QS Büro-Netzwerk (Ethernet) Fabrik-Netzwerk (Industrial Ethernet) Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Profibus FMS, ) PNK 1 Sensoren / Aktoren PNK n Sensoren / Aktoren Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, ) Folie 9

10 Standards und Normen senken Kosten Anlagenautomatisierung Standards senken die Engineeringkosten, was sich auf Grund der geringen Stückzahlen unmittelbar auf den Preis auswirkt. Produktautomatisierung Standardisierte Komponenten erlauben einen schnellen Wechsel zu günstigeren Zulieferern. Bei großen Stückzahlen geht eine Preisdifferenz von wenigen Cent unmittelbar ins Betriebsergebnis ein. Folie 10

11 Anforderungen an die Netzwerkschichten CAD DWH Verzögerung Datenmenge Schutzklasse min MByte Luftfeuchte, Temperatur DB PPS s kbyte Luftfeuchte, Temperatur, Staub, Wasser, EMV ABK PNK 1 PFK QS PNK n 0,1 s ms Byte Bit Luftfeuchte, Temperatur, Staub, Wasser, EMV, Eigensicherheit, Potentialunterschied Luftfeuchte, Temperatur, Staub, Wasser, EMV, Eigensicherheit Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 11

12 Schwerpunkt Bussysteme CAD DB DWH PPS ABK PFK QS Büro-Netzwerk (Ethernet) Fabrik-Netzwerk (Industrial Ethernet) Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Profibus FMS, ) PNK 1 Sensoren / Aktoren PNK n Sensoren / Aktoren Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, ) Folie 12

13 Merkmale von Bussystemen Serielle Bussysteme zeichnen sich aus durch: Verwendung von Zweidrahtleitungen Energieversorgung über die Datenleitungen Koppler, die ein Mischen unterschiedlicher Netztopologien (Ring, Stern, Baum, Linie) erlauben Diese Merkmale vereinfachen stark die Installation von Automatisierungskomponenten und minimieren so die damit verbundenen Kosten. Folie 13

14 Beispiel: Fahrstuhlsteuerung Steuerung Steuerung Eine konventionelle Steuerung über 13 Etagen benötigt pro Etage 2 Signalleitungen (AUF, AB). Hinzu kommt ein weiteres Adernpaar über alle Etagen für die Energieversorgung. Dies ergibt, bei einer Geschosshöhe von 3 m, einen Kabelbaum von 324 m Länge. Im Vergleich dazu eine EIB PL 1 -Installation, bei der die Daten über die Leitungen des Stromnetzes übertragen werden. Es werden nur 72 Meter Kabel benötigt. 1) European Installation Bus over Power Line Folie 14

15 Echtzeitfähige Bussysteme ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Profibus FMS, ) PNK 1 Sensoren / Aktoren PNK n Sensoren / Aktoren Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, ) Folie 15

16 Echtzeit Unter Echtzeit versteht man nicht, dass ein System unendlich schnell reagiert, sondern dass es vorgegebene Reaktionszeiten garantiert einhält. In der Echtzeitplanung spezifiziert man, innerhalb welcher Zeitschranken auf ein Ereignis zu reagieren ist. Des Weiteren wird festgelegt, in wie viel Prozent der Fälle diese Regel verletzt werden darf. Diese Überlegungen bestimmen die Wahl der Hardware- und Entwicklungsplattform, sowie das Kommunikationssystem. Letzteres ist bei verteilten Steuerungen / Regelungen am kritischsten. Folie 16

17 Echtzeit-Kommunikationssysteme Anforderung an Übertragungsverzögerung ist stark Branchen abhängig. Sekunden-Bereich in der Verfahrensautomatisierung Bruchteile einer Millisekunde in der Fertigungsautomatisierung Hohe Datenraten sollen geringe Verzögerungszeiten garantieren. Industrial Ethernet ermöglicht aber auch, große Datenmengen (z.b. Videobilder) zu übertragen. Eine effiziente Fehlerbehandlung informiert alle relevanten Knoten im Fehlerfall. Dies stellt eine korrekte Datenübertragung sicher. Folie 17

18 ASI Actuator- Sensor- Interface ABK PFK QS PNK 1 PNK n Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 18

19 ASI Actuator- Sensor- Interface Beschreibt ein Bussystem für die Sensor- / Aktor- Ebene Einsatz vorwiegend in der Verfahrens- und Fertigungsautomatisierung Verpolungssichere Zweidrahtleitung Anschluss mittels Durchdringungstechnik Schutzart IP67 Integrierte Energieversorgung der Netzknoten AS-Interface Elektromechanik Verpolsichere Flachleitung Zulässig sind Netze in Linien-, Stern- und Baumstruktur Durchdringungsdorne Folie 19

20 ASI Actuator- Sensor- Interface Kenngrößen Normiert nach: OSI- Layer: Zahl der Teilnehmer: Zahl der binären Informationen: Leitungslänge: Datenrate: EN 50295, IEC Physical-, Data Link- und Application- Layer maximal 31 (62) maximal 124 (248) maximal 100 m 167 kbit / s Folie 20

21 ASI Actuator- Sensor- Interface Busmanagement Master- Slave- Zugriff mit zyklischem Polling Slaves kennzeichnen sich eindeutig über Adresse und ID- Code Anwender setzt bei Installation die Slave- Adresse Master erstellt bei Inbetriebnahme Slave- Liste für Diagnostik Master detektiert Abweichungen vom Installationsabbild Master erkennt Ersatzslave anhand Defaultadresse und passendem ID- Code Master setzt die ursprüngliche Adresse automatisch Folie 21

22 ASI Actuator- Sensor- Interface Masteraufruf Slaveantwort ca. 150 µs Master fragt zyklisch alle Slaves der Reihe nach ab. Verfahren zur Steuerung und Überprüfung der Sendeberechtigung können entfallen. Maximale Zykluszeit ergibt sich zu: (31+2) 150 µs 5 ms ( µs 10 ms ) Folie 22

23 ASI Actuator- Sensor- Interface Telegrammstruktur des Masteraufrufs (14 Bits) S T S B A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 I 4 I 3 I 2 I 1 I 0 P B E B Endebit (immer 1) Paritätsbit Datenbits (I4 auch Adressbit) Adressbits Steuerbit Startbit (immer 0) Folie 23

24 ASI Actuator- Sensor- Interface Telegrammstruktur der Slaveantwort (7 Bits) S T I 3 I 2 I 1 I 0 P B E B Endebit (immer 1) Paritätsbit Datenbits Startbit (immer 0) Folie 24

25 ASI Actuator- Sensor- Interface Zu sendende Bitfolge Manchester II kodierte Bitfolge (0 fallende Flanke, 1 steigende Flanke) Aus der Manchester II kodierten Bitfolge generierter Sendestrom Ausgewertet wird der daraus resultierende Spannungsimpuls in der zweiten Takthälfte. (negativer Impuls 0, positiver Impuls 1) Folie 25

26 ASI Actuator- Sensor- Interface Fehlererkennung auf dem Physical- Layer wird überprüft: Spannungspegel des Empfangssignals Abfolge von positiven und negativen Flanken Zeitverlauf des Telegramms Paritätsbit Master wiederholt seine Anfrage nur einmal pro Zyklus und ein weiteres Mal im Folgezyklus Zykluszeit verlängert sich bei einem Fehler geringfügig von 4,95 ms auf 5,1 ms, bei 10 Fehlern auf 6,45 ms Folie 26

27 ASI Actuator- Sensor- Interface Die Slaves stellen bei ASI Kommunikationsobjekte dar, die folgende Methoden besitzen: Datenaufruf Parameteraufruf Adressieraufruf Kommandoaufruf Reset (Broadcast) Folie 27

28 CAN Controller Area Network ABK PFK QS PNK 1 PNK n Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 28

29 CAN Controller Area Network Entwickelt für die Fahrzeugtechnik, wird aber auch in der Verfahrens- und Fertigungsautomatisierung eingesetzt Beschreibt ein Bussystem für die Steuerungs- / Regelungsebene Nachrichtenorientiert Zweidrahtleitung, verdrillt und geschirmt Abschlusswiderstände notwendig Erlaubt Netze in Linientopologie Folie 29

30 CAN Controller Area Network Kenngrößen Normiert nach: OSI- Layer: Zahl der Nachrichten: Zahl der binären Informationen: Leitungslänge: Datenrate: ISO (OSI-Schicht 2) ISO 11898, ISO 9141 (OSI-Schicht 1) Physical- und Data Link- Layer 2 11 = 2048 maximal 8 Byte 40 m bis 6,7 km 1 MBit/s bis 10 kbit/s Folie 30

31 CAN Controller Area Network Producer- Consumer Prinzip per Broadcast Folie 31

32 CAN Controller Area Network Telegrammtypen Datentelegramm (RTR = 0) Datenanforderungstelegramm (RTR = 1, keine Daten) Fehlertelegramm (6 identische Bits) gezielter Verstoß gegen Bitstuffing- Vereinbarung Overloadtelegramm versendet ein Knoten, um weitere Telegramme zu verzögern Folie 32

33 CAN Controller Area Network Struktur des Datentelegramms (max. 108 Bit) S T AF KF Datenfeld CRC ACK EF Endefeld (7 Bit) ACK (2 Bit) CRC (16 Bit) max. 8 Datenbytes (max. 64 Bit) Kontrollfeld mit Anz. Datenbytes (6 Bit) Arbitrierungsfeld ( Bit) Startbit (immer 0) Folie 33

34 CAN Controller Area Network Busarbitrierung Folie 34

35 CAN Controller Area Network Fehlererkennung CANs hohe Fähigkeit zur Erkennung von Übertragungsfehlern basiert auf einer Kombination mehrerer Maßnahmen: Überwachung des Buspegels durch den Sender einer Nachricht (Bitmonitoring) jeder Empfänger überprüft CRC-Summe und Telegrammstruktur defekte Netzknoten werden erkannt und abgeschaltet Folie 35

36 CAN Controller Area Network Fehlersignalisierung Erkennt ein Netzknoten einen Fehler, signalisiert er diesen. Daraufhin verwerfen alle Netzknoten die bereits empfangenen Teile der Nachricht. Der sendende Knoten versucht unverzüglich die Nachricht zu wiederholen. Vorteile der Fehlersignalisierung sind: die sehr geringe Fehlererholzeit die geringe zusätzliche Busbelastung Folie 36

37 CAN - Applikationsschnittstellen CAN Application Layer (CAL) von der CAN-in-Automation (CiA) spezifiziert objektorientiert anwendungsunabhängig CANopen (EN ) von der CAN-in-Automation (CiA) spezifiziert benutzt einen Subset von CAL für die Kommunikation und das Netzwerk-Management anwendungsspezifische Profile Folie 37

38 CAN - Anwendungsprofile CiA 401 I/O Module CiA 402 Elektrische Antriebe CiA 405 SPS CiA 415 Straßenbaumaschinen CiA 416 Türsteuerungen CiA 417 Aufzugsteuerungen CiA 418 Batterie Module CiA 419 Batterie Ladegeräte CiA 422 Kommunale Nutzfahrzeuge Folie 38

39 Datenaustausch der Zukunft CAD DB DWH PPS ABK PFK QS Büro-Netzwerk (Ethernet) Unternehmens-Netzwerk (Ethernet Fabrik-Netzwerk & Industrial Ethernet) (Industrial Ethernet) Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Realtime Ethernet, ) PNK 1 Sensoren / Aktoren PNK n Sensoren / Aktoren Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, ) Folie 39

40 Aufgabenstellung für eine Masterarbeit Entwurf eines Schnittstellenstandards für den Datenaustausch zwischen meteorologischen Geräten und Systemen. zur Zeit existiert weder Norm noch Standard DWD hat Interesse an einer einheitlichen Schnittstelle (Kosten senken, Investitionsschutz) Folie 40

41 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Busse halten schon in vielen Bereichen des täglichen Lebens. Steigen Sie ein! Folie 41